Memoria Computacional y Almacenamiento

Unidad 3 - Memorias

• Resultados de Aprendizaje: El estudiante deberá ser capaz de:
  • Describir la organización y arquitectura básica de una memoria electrónica o de semiconductores.
  • Identificar los diferentes tipos de celdas de memoria y sus clases.
  • Identificar distintos tipos de memorias RAM.
  • Identificar distintos tipos de memorias ROM.
  • Comprender las razones por las que se elige un tipo de memoria.
  • Definir el concepto de tiempo de acceso y su composición.
  • Comprender la diferencia entre una memoria SDRAM y una DDR.
  • Explicar la necesidad de las memorias caché y su funcionamiento.
  • Identificar las partes de una memoria caché y explicar su funcionamiento.
  • Explicar el fundamento del funcionamiento de los dispositivos de almacenamiento magnético.
  • Identificar y representar gráficamente las partes de un disco duro y una unidad de disco.
  • Describir el funcionamiento básico de las unidades de acceso secuencial.
  • Describir el funcionamiento básico de las unidades ópticas.

Características de las memorias

• Volátiles o No Volátiles: Las memorias pueden perder su información al apagarse (volátiles) o conservar la información (no volátiles). Ejemplos de volátiles: RAM principal del computador. Ejemplos de no volátiles: ROM, SSD, Disco Duro.

• Acceso Aleatorio, Directo o Secuencial: La forma en cómo se accede a los datos en la memoria.

• Lectura-Escritura o Sólo Lectura: Si la memoria permite escribir y leer datos (lectura-escritura) o solo permite leer datos (solo lectura).

• Primaria o Secundaria: Distinción entre la memoria principal (RAM, que almacena datos procesados) y la secundaria (disco duro, SSD) que almacena información duraderamente.

Volatilidad

• Volátil: Retiene información solo mientras recibe alimentación eléctrica.
• No Volátil: Retiene la información aún sin alimentación eléctrica.

Lectura-Escritura (R/W) y Solo Lectura

• Lectura-Escritura (R/W): Su contenido puede ser actualizado y accederse por otros dispositivos. Ejemplo: RAM
• Solo Lectura: Solo puede ser leída. Ejemplo: ROM

Tipos de Acceso

• Aleatorio (Random): El tiempo de acceso es independiente de la posición o acceso previo.
• Directo: Se direccionan o identifican bloques de datos; tiempo de acceso variable.
• Secuencial: El tiempo de acceso depende de la ubicación de los datos y del lugar donde se estaba leyendo previamente.

Tecnología de Construcción

• Semiconductores: Circuitos integrados basados en silicio (Si). Se utilizan transistores y capacitores para el almacenamiento. Ejemplos: SRAM, DRAM, Flash.
• Magnéticas: Utiliza patrones de magnetización sobre una superficie con propiedades magnéticas. Ejemplos: Discos duros, cintas (DDS, LTO).
• Ópticas: Almacena información como deformaciones en la superficie de un disco, leyéndola con un láser durante su rotación. Ejemplos: CD, DVD, Blu-Ray

Capacidad

• La unidad fundamental es el byte. Se utiliza la notación decimal y binaria. Presenta los múltiplos del byte (Kb, Mb, Gb, Tb, etc.) con sus valores decimales y binarios.

Tiempo de Acceso (Latencia) y Tiempo de Ciclo

• Tiempo de Acceso (Latencia): Tiempo que transcurre desde el inicio de una operación hasta su finalización; puede variar dependiendo de si es para lectura o escritura.
• Tiempo de Ciclo: Tiempo entre dos operaciones consecutivas (tRC, tWC).

Jerarquías de Memoria

• Un computador requiere memoria veloz para almacenar datos e instrucciones procesadas por la CPU y una memoria de gran capacidad para almacenamiento permanente.
• Existe un compromiso entre velocidad, capacidad y costo.
• Diferentes tipos de memoria se combinan para satisfacer las necesidades de procesamiento.
• Se mantienen copias de bloques de datos en niveles inferiores para evitar tiempos largos en accesos.

Niveles de una Jerarquía de Memorias (Piramide):

• Los niveles presentan diferentes costos y tiempos de acceso de acuerdo con su cercanía a la CPU.
• La Memoria principal (DRAM) presenta un costo y tiempo de acceso medio.
• Las Memorias Caché (SRAM) presentan tiempos de acceso más bajos, pero su costo es superior.
• En los niveles más altos (Registros), se encuentra la memoria con tiempos más cortos en accesos pero con los mayor costo.

Memorias de Lectura/Escritura (R/W)

• RAM (Random Access Memory): Memoria de acceso aleatorio para posicionar datos; el tiempo de acceso es igual para cualquier posición.
• SRAM: Memoria estática, de acceso rápido.
• DRAM: Memoria dinámica, de mayor capacidad, pero con un tiempo de acceso más lento que la SRAM.
• RAM = SRAM + DRAM

SRAM

• Memoria de Acceso Aleatorio Estática.
• Tiene una arquitectura determinada que facilita el funcionamiento.
• Es una memoria estática; no requiere refresco.
• Usualmente se utiliza para la creación de caché.

DRAM

• Memoria de Acceso Aleatorio Dinámica.
• Requiere refresco periódico para mantener la información.
• Mayor capacidad de almacenamiento que la SRAM.
• Se utiliza comúnmente como memoria principal.

Celda de una memoria Estática (SRAM)

• Utiliza un circuito flip-flop para almacenar un bit. (6 transistores).
• Los valores almacenados son estables sin necesidad de refrescar.

Celda de una memoria Dinámica (DRAM)

• Utiliza un capacitor para almacenar un bit. (1 transistor, 1 capacitor).
• Requiere un refresco periódico para reponer la carga en el capacitor.
• Los datos se pierden sin refresco.

Comparativo DRAM - SRAM

Organización o Arquitectura de las DRAM

• La DRAM se organiza en una matriz de celdas.
• Se utiliza un decodificador de filas y columnas para acceder a las celdas.

Organización de una memoria flash

• Estructura organizada en bloques, filas y columnas para el almacenaje de bits.

Discos rígidos o duros

• Componentes: Actuador, brazo, cabezales, platos, interfaz, alimentación, y controlador.
• Pista: Se refiere a las secciones concéntricas que forman la superficie de grabación de un disco duro.
• Cilindro: Todas las pistas que se ubican en la misma distancia desde el eje del disco.
• Sector/Sectores: Pistas de igual tamaño (512 bytes ó 4KB).

Principio de funcionamiento de discos rígidos

• La superficie de los platos (generalmente de aluminio o cristal) se cubre con una delgada película magnética.
• Partículas magnéticas en capas (dominios) cambian su alineación en respuesta a impulsos eléctricos desde el cabezal.
• El cambio de alineación representa la información (0 o 1) almacenada en el disco.
• Escritura: El cambio de flujo de la corriente eléctrica en el cabezal produce alineamientos específicos de dominios magnéticos en cada pista, creando patrones magnéticos visibles bajo el flujo de la corriente eléctrica.
• Lectura: El movimiento relativo de la pista y el cabezal produce cambios en el campo magnético que son leídos por la cabeza, determinando la información grabada.

Capacidad de discos

• Se mide en GigaBytes (GB) o TeraBytes (TB).
• Depende del número de cilindros, caras, pistas y sectores de cada pista, así como de la densidad areal.

Tiempo de acceso de discos

• Tiempo de búsqueda: Tiempo para que el brazo se desplace hasta la pista deseada.
• Latencia rotacional: Tiempo para que el sector deseado llegue debajo de la cabeza.
• Tiempo de transferencia: Tiempo para transferir el dato solicitado.
• El tiempo de acceso total se calcula sumando estos tres tiempos.

Discos de estado solido (SSD)

• Características: Memoria no volátil. Tecnología Flash.
  • Tipos: SLC NAND, MLC NAND, TLC NAND.
• Tipos de organización de memorias flash: NOR, NAND.

Memoria Caché

• Principal función: Guardar copias de datos de la memoria (DRAM) o instrucciones.
• Principio de uso:
  • Localidad temporal: los datos con acceso reciente tienen alta probabilidad de ser utilizados.
  • Localidad espacial: los datos contiguos tienen alta probabilidad de ser utilizados.
• Componentes: Memoria caché (SRAM), lógica de administración o controlador de caché, y directorios (Memoria de etiquetas o TAG RAM).
• Operación (Lectura): El procesador busca en la caché el dato solicitado; Si está en cache el procesador accede a su copia para reducir tiempos, si el dato no está los pasos siguen una estructura secuencial que involucra el acceso a la memoria principal (DRAM).

Tipos de cachés según su ubicación

• L1 (Nivel 1): Dentro del chip de la CPU.
• L2 (Nivel 2): Dentro del chip de la CPU, de mayor tamaño que L1.
• L3 (Nivel 3): Fuera del chip de la CPU, en la placa madre; de mayor tamaño que L2.

Glosario

• Nivel inferior: Nivel de jerarquía de memorias más cercano a la CPU.
• Bloque/Línea: Unidad de transferencia entre la DRAM y la memoria caché (usualmente 64 bytes).
• Cache hit: La CPU encuentra el dato solicitado en la caché.
• Cache miss: La CPU no encuentra el dato solicitado en la caché.
• Tasa/Ratio de acierto: Porcentaje de cache hits.
• Penalidad por Fallo: Tiempo para recuperar el dato solicitado desde la memoria principal y actualizar la caché.

Dispositivos de acceso secuencial

• Cinta magnética (Tape): Almacenamiento secuencial en forma de carrete.
• LTO (Linear Tape Open): Tecnología de cinta para almacenamiento masivo de datos, generalmente utilizado en grandes almacenajes que requieren durabilidad y disponibilidad.

Discos ópticos

• Tecnología de grabación: Grabación y lectura de datos mediante un láser que crea información en forma de espiral.
• Tipos: CD, DVD, HD DVD, Blu-ray.
• Formatos de lectura: Información almacenada en forma de mesetas (lands) y valles (pits).

Este cuestionario explora conceptos clave relacionados con la memoria secundaria y las tecnologías de almacenamiento en informática. A través de preguntas específicas, los participantes evaluarán su comprensión sobre la capacidad, el tiempo de acceso y el propósito de diferentes tipos de memoria. ¡Pon a prueba tus conocimientos sobre cómo funcionan los sistemas de memoria en los computadores!